问题:柔性电子被视为下一代可穿戴、植入式医疗以及“电子皮肤”等应用的重要支撑技术,但“柔软”也带来脆弱性。长期弯折、拉伸和摩擦下,器件易出现微裂纹、界面脱层和电极断裂;在汗液、水体或体液环境中,腐蚀与渗透会深入加速性能衰减。现实使用中,一旦关键部件受损,往往需要整机更换,不仅推高维护成本,也影响医疗场景的连续监测与长期植入。 原因:这个瓶颈的关键在于材料与结构体系的耐久性不足。一上,传统半导体与导电材料大形变条件下难以同时保持导电性与机械可靠性;另一上,柔性器件通常由多层材料堆叠组成,任一层出现裂纹或缺陷都可能触发电学失效。此外,尽管不少研究已自修复材料或单一元件层面取得进展,但要将自愈能力扩展到完整电路,并在复杂环境中稳定运行,仍需解决材料兼容、器件集成与制造工艺等问题。 影响:据韩国成均馆大学与基础科学研究所联合团队介绍,他们以具备良好绝缘性与生物相容性的自愈聚合物为基础,构建了兼具柔韧性与自愈能力的柔性晶体管及电路。其特点是:晶体管电极、半导体层、绝缘膜等核心组件均引入自愈高分子体系,使器件受损后可恢复机械结构与电学特性,从而提升长期稳定性。团队进一步将自愈能力从单个元器件推进到模块化电路系统:通过标准化设计,自愈晶体管、触觉传感器与微型发光单元可拆分、可重组,按需搭建传感器阵列、逻辑电路乃至简易显示系统,体现出“积木式”组合的工程扩展性。 在适应复杂环境上,研究显示该材料与器件水中及动物体内条件下仍能保持较稳定的电学表现。通常柔性器件在体液环境中容易发生性能漂移,而该方案在植入活体动物后仍可稳定工作一周以上,电学特性未见明显退化。业内人士认为,这为柔性电子向医疗健康领域进一步落地提供了支撑:一上有望提升植入式设备真实场景下的可靠性;另一上,模块化重组思路为“按需定制”提供了更可操作的系统路径,有助于缩短迭代周期,并降低维护与替换成本。 对策:根据柔性电子“耐用性不足”的长期难题,研究带来的启示可概括为三点。其一,从材料端入手,将自愈机理引入半导体与绝缘体系,降低微损伤累积引发的失效风险;其二,从系统端入手,把自愈从元件级能力提升为电路级能力,并通过模块化架构增强可维护性与可扩展性;其三,从应用端倒推设计,面向水环境、体内环境等高要求场景开展验证,减少“实验室可行、场景不可用”的落差。中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所研究员张珽指出,随着以人形机器人等为载体的具身智能技术加速发展,柔性触觉传感器、柔性生理电极等器件将面对更复杂、更高频的使用环境,易损伤、易腐蚀与稳定性不足等问题会更突出。借鉴人体皮肤这一“天然柔性器件”的自修复与适应机制,推动柔性器件向可拉伸、可重组、可自修复方向演进,有望为规模化应用打下更可靠的技术基础。 前景:从应用潜力看,自愈型半导体及其模块化柔性电路医疗健康领域空间广阔。例如,在神经科学与临床医学中,有望构建高密度接口器件,用于采集与处理大脑、脊髓、外周神经及心脏组织等生物信号,服务于神经疾病干预、心律调控与术后长期监测等需求;在可穿戴设备上,若电路结构可随活动与环境变化调整,并受损后恢复功能,将有助于提升佩戴舒适性与耐用性,推动更个性化的智能系统落地。此外,器件具备自我修复能力、减少频繁更换,也有望降低电子废弃物产生并压缩全生命周期成本。 不过,距离产业化仍需跨过几道关键关口。研发团队提出的方向包括:增强电气性能,尤其是提高载流子迁移率与电极导电性,以满足更高速度、更高集成度电路需求;优化制造与封装工艺,推动实验室成果向标准化、低成本、可复制的规模化生产转化;在安全性上,尽管动物实验给出积极信号,但面向人体应用仍需更长周期、更系统的生物相容性与风险评估,以满足医疗器械监管要求并建立临床可信度。
这项研究为柔性电子提升耐久性与可维护性提供了新的技术思路,也为医疗健康领域的智能化、个性化应用带来更现实的工程基础。随着材料性能、制造工艺与安全评估逐步完善,涉及的方案有望在更多场景加速落地,推动电子设备向更可靠、更可持续的方向发展。